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  Coherent two-dimensional electronic broad-band UV-spectroscopy of DNA and its nucleobases

Picchiotti, A. (2017). Coherent two-dimensional electronic broad-band UV-spectroscopy of DNA and its nucleobases. PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg.

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Item Permalink: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0001-B829-2 Version Permalink: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0007-0E24-2
Genre: Thesis
Other : Kohärente zweidimensionale elektronische Breitband-UV-Spektroskopie von DNA und ihren Nucleobasen

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:
Dissertation.pdf (Publisher version), 31MB
Name:
Dissertation.pdf
Description:
-
Visibility:
Public
MIME-Type / Checksum:
application/pdf / [MD5]
Technical Metadata:
Copyright Date:
2017
Copyright Info:
© Alessandra Picchiotti
License:
-

Creators

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 Creators:
Picchiotti, Alessandra1, 2, Author              
Affiliations:
1International Max Planck Research School for Ultrafast Imaging & Structural Dynamics (IMPRS-UFAST), Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, Max Planck Society, ou_2266714              
2Miller Group, Atomically Resolved Dynamics Department, Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, Max Planck Society, ou_persistent22              

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Free keywords: -
 Abstract: The photostability of DNA is highly complicated, and yet crucial, as dimerization of bases due to excitation could lead to skin cancer. Therefore, the physical properties of DNA are studied in order to understand its biochemical functions and pathology, such as the influence of UV light on cancer formation, which is related to the presence of thymine photoproducts.1 The presence of excitons in this process has been proposed2-17, and the investigation of DNA and its composing nucleobases excitation pathways raises a number of questions, such as the role of solvents in the release of excessive energy, the interaction of different solvents with nucleobases, the possible differences between nucleobases themselves, and ultimately, the possibility of an universal mechanism. The present work uses sensitive optical techniques - electronic broad band transient absorption (TA), and two- dimensional photon echo (2DPE) spectroscopies - in order to study these phenomenons. In order to cover a wide spectroscopic window, broadband time-resolved spectroscopy in the UV is used, as it covers the full absorption peak of DNA and nucleobases. This is very demanding, and this work demonstrates the possibility of overcoming the inherent challenges by using a novel optical setup that covers nearly all the lowest absorption bands and excited-state emission bands of DNA and nucleobases (250 to 300 nm). The setup can record very short dynamics, including oscillatory behaviors due to Raman frequencies, as it has such a broadband spectral window and short pulse length (6 − 8 fs in fwhm), combined with a closed-loop wire-guided jet system for handling the liquid samples.18 An extensive characterization of single nucleobases and short single strands of DNA (ssDNA) using steady-state absorption and circular dichroism spectroscopy, was conducted priorly to the time-resolved experiments. The linear spectroscopy study (absorption and circular dichroism) of ssDNA revealed two major electronic excitations below the band at 260 nm, as well as a linear relationship between the number of nucleobases in a single strand and the dipole strength. Furthermore, the delocalization of excitons is dependent on the length of the oligomeric chain, though this varies; in adenosine the exciton is localized only on nearest neighbors, in (dT)n and (dAT)n the range grows as the strand lengthens. The performance of the TA and 2DPE system was first tested an characterized by using pyrene, a well-known dye19-25 with a high transition dipole strength, well-known electronic transitions, relatively small chemical structure, and clear Franck-Condon progression. The study suggests two possible alternative mechanisms for the de-excitation of pyrene. The excitation of the S4 is followed by a sub-picosecond relaxation of the excited population to the phantom state S3, then to the S2 (8 ps) and finally to the Lb states (24 ps), assuming the characteristics of S1 at the minimum; the population is trapped for an extended time in the S1/Lb bottle-neck minimum before relaxing to the ground state. Alternatively, there is a single conical intersection (CI) between S3 and Lb, and the uorescence structure at 350 − 368 nm is instead associated with a relaxation from the Lb after the CI with the phantom state; the S2 level is not involved in de-excitation. Furthermore, the TA and 2DPE study of nucleobases uncovered an universal mechanism of two-step photo-deactivation that is valid for all investigated ssDNA bases, extending previous studies that proposed it for cytosine26 and adenine.27 The population passes from an initially excited bright state ππ∗ through an nπ∗ (dark) state to the ground state via two CIs; the dark state nπ∗ is shared by all nucleobases. The findings were enhanced by theoretical modeling of 2D spectra in the vicinity of two CIs and excited state absorptions28, which closely matched the experimental spectra, as it reproduced the two peaks with opposite signs present in the 2DPE experimental spectra. To the best available knowledge, this is the first experimental broadband TA and 2DPE spectra of ssDNA in the far UV ever reported in literature. By comparing the experimental TA and 2DPE spectra of single nucleobases and DNA strands, the intermediate lifetime increases when nucleobases are stacked in ssDNA, and the amplitude of the decay associated spectra associated with the longest lifetime also increases. This findings could be enriched by building a theoretical framework, as well as continuing the experimental work toward double stranded DNA.
 Abstract: Die Photostabilität der DNA ist hochgradig komplex und essentiell, da die Dimerisierung von Nukleobasen aufgrund von Photoanregung zur Bildung von (Haut-)krebs führen kann. Daher ist es wichtig, die physikalischen Eigenschaften der DNA zu untersuchen, um biochemische und pathologische Mechanismen zu verstehen, wie z.B. den Einfluss von UV-Strahlung auf die Bildung von Hautkrebs, welche sich auf die Photoprodukte des Thymins zurückführen lassen.1 In diesem Zusammenhang wird die Anwesenheit von Exitonen vermutet2-17, und die Untersuchung von DNA und der Anregungspfade ihrer Nukleobasen wirft eine Reihe neuer Fragen auf, wie z.B. den Einfluss des Lösungsmittels in der Abgabe von Überschussenergie, die Wechselwirkung verschiedener Lösungsmittel mit den einzelnen Nukleobasen, die Unterschiede zwischen den Nukleobasen selbst, und letztlich die Möglichkeit eines universellen Mechanismus. Die hier vorliegende Arbeit verwendet hochpräzise spektroskopische Methoden - breitbandige elektronische transiente Absorptionsspektroskopie (TA) und zweidimensionale Photonenecho (2DPE) Spektroskopie - um die beschriebenen Zusammenhänge zu untersuchen. Um einen möglichst großen Spektralbereich abzudecken, wird breitbandige, zeitaufgelöste UV Spektroskopie verwendet, da diese Technik alle Absorptionsbanden von DNA und ihrer Nukleobasen abdeckt. Dies ist eine experimentell sehr anspruchsvolle Aufgabe und die vorliegende Arbeit demonstriert die Möglichkeit, diese Herausforderungen zu meistern, indem ein neuartiger optischer Aufbau genutzt wird, welcher fast die gesamten tiefliegenden Absoprtionsbanden und angeregten Emissionsbanden der DNA und der Nukleobasen (250 bis 300 nm) abdeckt. Der experimentelle Aufbau kann sehr kurzlebige Dynamiken, einschließlich dem Verhalten von Oszillatoren in Abhängigkeit von Ramanfrequenzen, untersuchen, da es sehr breitbandig ist und gleichzeitig über sehr kurze Pulsdauer (6 − 8 fs fwhm), in Kombination mit einem geschlossenen Kreislauf Drahtflüssigkeitsfilm, verfügt. Vor den zeitaufgelösten Untersuchungen wurde eine ausgiebige Charakterisierung der Nukleobasen und kurzer einzelsträngiger DNA (ss-DNA) mit statischer Absoprtions- sowie Zirkulardichroismusspektroskopie durchgeführt. Diese lineare Spektroskopie-Studie (Absorption und Zirkulardichroismus) von ssDNA enthüllte zwei dominierende elektronische Anregungen unterhalb der Absorptionsbande bei 260 nm, sowie einen linearen Zusammenhang zwischen der Zahl der Nukleobasen in einem Einzelstrang DNA und der Dipolstärke. Darüber hinaus ist die Delokalisation der Exitonen abhängig von der Länge der Oligomere. Dies variiert jedoch: In Adenosin ist das Exiton nur auf den nächsten Nachbarn lokalisiert, wohingegen in (dT)n und (dAT)n die Reichweite der Delokalisierung mit der Oligomerlänge zunimmt. Der TA und 2DPE Aufbau wurde zunächst anhand von Pyren, einem gut untersuchtem Farbstoff19-25, getestet und charakterisiert. Pyren weist ein hohes Diplolübergangsmoment, klar charakterisierte elektronische Übergänge, eine relativ kleine molekulare Struktur und klare Franck-Condon-Progressionen auf. Die Untersuchung von Pyren mittels TA und 2DPE deutet auf zwei mögliche Mechanismen der Relaxation auf. Die Anregung in den S4 Zustand bewirkt eine subpicosekunden Relaxation der angeregten Population in den Phantomzustand S3, gefolgt von Abregung in den S2 (8 ps) und schlussendlich in den Lb Zustand (24 ps), unter der Annahme der Eigenschaften von S1 im Minimum; die Population ist dann für einen längeren Zeitraum im S1/Lb Flaschenhals-Minimum gefangen, bevor diese in den Grundzustand relaxiert. Alternativ gibt es eine einzelne konische Verschneidung zwischen S3 und Lb, und die Fluorezenzstruktur bei 350 − 368 nm ist stattdessen mit der Relaxation des Lb nach der konischen Verschneidung mit dem Phantomzustand assoziiert; der S2 Zustand ist hierbei nicht involviert. Weiterhin haben die TA und 2DPE Untersuchungen der Nukleobasen einen universellen Mechanismus einer aus zwei Schritten bestehenden Photodeaktivierung hervorgebracht, welcher für alle untersuchten ssDNA Nukleobasen gültig ist und welcher bisherige Studien, die diesen Mechanismus für Cytosin 26 und Adenin 27 vorgeschlagen haben, erweitert. Die angeregte Population relaxiert über einen zunächst hellen angeregten Zustand ππ∗ durch einen (dunklen) Zustand nπ∗ über zwei konische Verschneidungen (CI) in den Grundzustand; der dunkle Zustand nπ∗ findet sich in allen Nukleobasen. Diese Ergebnisse wurden mittels theoretischer Berechnungen der 2D Spektren in der Nähe der zwei CI und den Absorption des angeregten Zustandes vervollständigt.28 Diese Simulationen reproduzieren die experimentellen Spektren sehr gut, da diese die zwei Banden mit gegensätzlichem Vorzeichen aus dem experimentellen 2DPE Spektren reproduzieren. Soweit bekannt sind dies die ersten experimentellen breitbandigen TA und 2DPE Spektren von ssDNA im tiefen UV, die jemals berichtet wurden. Der Vergleich von experimentellen TA und 2DPE Spektren der einzelnen Nukleobasen mit DNA Strängen zeigt, dass die Lebensdauer sich vergrößert, wenn Nukleobasen in gestapelter Form in ssDNA vorliegen und die Amplitude des decay associated spectra mit der assoziierten längsten Lebensdauer auch zunimmt. Diese Ergebnisse könnten erweitert werden mithilfe weiterer theoretischen Modelle, sowie der experimentellen Untersuchungen Doppelstrang-DNA.

Details

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Language(s): eng - English
 Dates: 20172017-12-192017
 Publication Status: Published in print
 Pages: 190
 Publishing info: Hamburg : Universität Hamburg
 Table of Contents: -
 Rev. Type: -
 Identifiers: URN: urn:nbn:de:gbv:18-88045
 Degree: PhD

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